CN115314854A - 一种海上风电水下设施无人巡检***及方法 - Google Patents

一种海上风电水下设施无人巡检***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种海上风电水下设施无人巡检***及方法，涉及巡检技术领域。该海上风电水下设施无人巡检***包括远程作业监控***、AUV和AUV中继坞；远程作业监控***进行巡检任务规划；AUV接收巡检任务规划并执行对应的巡检任务，向海缆和基桩进行巡检，得到巡检数据；AUV中继坞在AUV到达时与AUV进行对接，对AUV进行充电，同时将AUV与远程作业监控***进行数据同步，待充电与数据同步完成后，远程作业监控***根据接受到的数据，对AUV进行状态更新和数据收集。本发明通过AUV中继坞来解决AUV续航不足和数据同步问题。

Description

一种海上风电水下设施无人巡检***及方法
技术领域
本发明涉及巡检技术领域，尤其涉及一种海上风电水下设施无人巡检***及方法。
背景技术
当前，海上风电运维模式主要为基于风机整机厂商的计划检修和被动抢修模式，动用巨大的人力资源对风机维修，保障风场稳定运行，但对于海上风场的水下设施部分，目前尚无暇关注。海上风电的水下设施部分包括用于支撑风机的基桩和传输电能的海缆两部分，一般海上风电场基桩数目为百数量级别，海缆长达百公里至千公里数量级，规模巨大，二者的健康状态对于海上风电的稳定运行具有重大影响。基桩和海缆始终处于水下，长期面临海流冲刷、化学腐蚀、生物附着问题以及人类海上活动不稳定因素影响，长此以往必会导致水下设施的健康状态受损，导致人身安全隐患和造成巨大的经济损失，如风机基桩底部冲刷严重导致整个平台发生倾斜甚至倒塌，海底电缆绝缘保护层裸露老化加速导致线缆断裂导致电力传输中断等。因此，为保证海上风电水下设施的安装稳定运行及对其潜在危险进行预警，需要建立有效的水下设施定期巡检措施。
目前的针对水下设施部分的巡检方法主要有：(1)专业潜水员携带手持式检测设备可对水下设施进行人工摸查和近距离检测，精确度高但高风险、效率低下；(2)水面船只使用缆绳拖曳光学、声学或磁学设备对水下设施进行检测,检测速率较高，但拖鱼位置和姿态受海浪、海流、拖曳船只和缆绳等共同影响，容易发生起伏变化和左右摆动,数据质量差，一致性不好，难于应用于复杂场景和精细化检测。(3)有人船搭载ROV可同时搭载多种检测设备进行水下设施检测，相对于潜水员作业来说具备高效、大深度、长时间水下作业的优点，但作业受海况影响，需要母船和专业运维人员运行和保障，作业成本高，不利于大规模的水下设施巡检。(4)无人船可以适用于大范围巡检，但不适用于精细场景和大深度巡检，基桩水下部分检测数据精度不够。(5)常规AUV由于电池容量问题续航能力有限，作业时间相对于海上风电水下设施大规模巡检场景下十分有限，难以胜任成百上千的基桩和百公里级至千公里级长度海缆巡检。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种海上风电水下设施无人巡检***及方法，至少用于解决其中一个技术问题。
根据本发明的第一个方面，提供了海上风电水下设施无人巡检***，包括远程作业监控***、AUV和AUV中继坞；
远程作业监控***进行巡检任务规划；
AUV接收巡检任务规划并执行对应的巡检任务，向海缆和基桩进行巡检，得到巡检数据；
AUV中继坞在AUV到达时与AUV进行对接，对AUV进行充电，同时将AUV与远程作业监控***进行数据同步，待充电与数据同步完成后，远程作业监控***根据接收到的数据，对AUV进行状态更新和数据收集。
本发明的海上风电水下设施无人巡检***，通过AUV中继坞来解决 AUV续航不足和数据同步问题。
在一些实施方式中，AUV包括控制模块、通信模块、导航模块、探测模块、动力模块和能源模块；
通信模块与控制模块连接，通信模块用于与AUV中继坞进行通信；
导航模块与控制模块连接，导航模块根据巡检任务进行导航；
探测模块与控制模块连接，探测模块根据巡检任务向海缆和基桩进行检测，得到巡检数据；
动力模块与控制模块连接，动力模块根据巡检任务进行移动；
能源模块分别与控制模块、动力模块连接，能源模块给动力模块提供能量。
在一些实施方式中，能源模块包括蓄电池模块和电池管理模块；
蓄电池模块分别与控制模块、动力模块连接，蓄电池模块给动力模块提供电能；
电池管理模块分别与控制模块、蓄电池模块连接，电池管理模块获取蓄电池模块的剩余电量。
在一些实施方式中，AUV还包括避障模块，避障模块与控制模块连接，避障模块用于水下避障处理。
在一些实施方式中，还包括AUV自动收放站，AUV自动收放站与远程作业监控***连接，AUV自动收放站用于自动收放AUV。
在一些实施方式中，还包括巡检数据处理中心，巡检数据处理中心与远程作业监控***连接，巡检数据处理中心用于对数据进行存档、分析和形成巡检报告。
根据本发明的第二个方面，提供一种海上风电水下设施无人巡检方法，该海上风电水下设施无人巡检方法用于控制上述的海上风电水下设施无人巡检***，包括：
进行巡检任务规划；
AUV接收巡检任务规划并执行对应的巡检任务，向海缆和基桩进行巡检，得到巡检数据；
AUV中继坞在AUV到达时与AUV进行对接，对AUV进行充电，同时进行数据同步，待充电与数据同步完成后，根据同步的数据对AUV进行状态更新和数据收集，并判断巡检任务是否完成。
在一些实施方式中，当巡检任务尚未完成时，AUV继续执行巡检任务；
当巡检任务完成时，向AUV下达返航指令。
在一些实施方式中，获取AUV的剩余电量，判断AUV的剩余电量是否充足。
在一些实施方式中，当剩余电量充足时，AUV继续执行巡检任务；
当剩余电量不足时，AUV上浮更新位置，记录工作断点，并重新规划最短路径，按照规划的最短路径进行下潜航行到AUV中继坞进行充电和数据同步，待充电与数据同步完成后，返回记录的工作断点继续进行所述巡检任务。
与现有技术相比，本发明的海上风电水下设施无人巡检***及方法，通过AUV中继坞来解决AUV续航不足和数据同步问题。
附图说明
图1为本发明一实施方式的海上风电水下设施无人巡检***的组成示意图；
图2为本发明一实施方式的能源模块的组成示意图；
图3为本发明一实施方式的海上风电水下设施无人巡检方法的第一种流程图；
图4为本发明一实施方式的海上风电水下设施无人巡检方法的第二种流程图。
附图标号说明：AUV100，控制模块110，通信模块120，导航模块130，探测模块140，动力模块150，能源模块160，蓄电池模块161，电池管理模块162，避障模块170，AUV自动收放站200，AUV中继坞300，远程作业监控***400，巡检数据处理中心500。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
根据本发明的第一个方面，图1-2示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的海上风电水下设施无人巡检***。如图1-2所示，该海上风电水下设施无人巡检***包括AUV100(Autonomous Underwater Vehicle，无缆水下机器人或自主巡检机器人)、AUV自动收放站200、AUV中继坞300、远程作业监控***400和用于处理分析数据形成巡检报告的巡检数据处理中心500。AUV100是进行水下设施巡检数据采集的载体；AUV自动收放站200布放在岸基，用于AUV100的自动布放与回收，作业过程无需人员参与；AUV中继坞300用于解决AUV100续航不足和数据同步问题，布放在海上风电场升压站上，当AUV100低电量时自动返回AUV中继坞300 进行充电和数据上传；远程作业监控***400向AUV100下发巡检任务，并监控AUV100整个水下作业过程，同时通过无线或光纤通信与各个模块进行下达指令和回收作业数据；巡检数据处理中心500通过光纤接受远程作业监控***400上传数据，对数据进行存档、分析和形成巡检报告产生用户价值。
AUV100是本***的核心，是搭载声光磁传感器等探测模块进行自主采集巡检数据的载体，具有远程遥控功能，AUV100接收巡检任务规划并执行对应的巡检任务，向海缆和基桩进行巡检，得到巡检数据；远程作业监控***400可以在AUV中继坞300视频的协助下，完成AUV100入坞充电动作，AUV自动收放站200完成遥控入收放站点。AUV100具体包括控制模块110、通信模块120、导航模块130、探测模块140、动力模块150、能源模块160和避障模块170。
通信模块120与控制模块100连接，通信模块120用于与AUV中继坞 300进行通信，实现AUV100的状态实时上报机制，通信模块120为高速 wifi、4G、无线电、北斗、水声通信等多种手段中的一种或多种，AUV100 通过上述通信手段中的一种或多种实现进行通信，确保通信可靠，在一定周期内上报状态，与远程作业监控***400保持定时心跳，防止丢失。
导航模块130与控制模块110连接，导航模块130根据巡检任务进行导航；AUV100通过导航模块130实现海缆路由跟踪功能；AUV100具体基于高精度海缆路由信息，能基于GPS、水下惯导航和位置更新策略，实现一定误差范围内的轨迹精度跟踪。
探测模块140与控制模块110连接，探测模块140根据巡检任务向海缆和基桩进行检测，得到巡检数据；探测模块140具体为声光磁传感器。
动力模块150与控制模块100连接，动力模块150根据巡检任务进行移动；动力模块150使得AUV100操控性好，能在有一定流速(1节)的海水中保持可控；同时可保证AUV100的机动能力，使AUV100可对风机基桩水下部分进行精细化观测，能垂直上浮下潜，平移。
能源模块160分别与控制模块110、动力模块150连接，能源模块160 给动力模块150提供能量；能源模块160保证AUV100的续航能力，使 AUV100能实现从岸上到达位于风场升压站上的AUV中继坞300。
能源模块160包括蓄电池模块161和电池管理模块162，蓄电池模块 161分别与控制模块110、动力模块150连接，蓄电池模块162给动力模块 150提供电能；电池管理模块162分别与控制模块110、蓄电池模块161连接，电池管理模块162获取蓄电池模块161的剩余电量。
避障模块170与控制模块100连接，避障模块170用于水下避障处理。基于视觉和前视声呐的自主避障策略；发现障碍策略：原地悬停，上浮上报状态，确保安全。
AUV自动收放站200与远程作业监控***400连接，AUV自动收放站 200用于自动收放AUV100。AUV自动收放站200具有通讯功能，能与远程作业监控***400实现通信；AUV自动收放站200还具有机构遥控升降功能对AUV100进行存放；AUV自动收放站200还可以对AUV100进行充电。
升压站上的无人值守的AUV中继坞300，通过光纤与远程作业监控***400实现高带宽通信，提供近场高速无线通信网络，搭配无线充电装置对AUV100自动充电，可远程实时视频监控，基于视频辅助AUV100入坞，远程遥控升降，充电需求时联动下降，完成充电出坞后，自动上升离开水面，防止水生物生长；高压水枪对AUV100清洗。AUV中继坞300在AUV100到达时与AUV100进行对接，对AUV100进行充电，同时将AUV100与远程作业监控***400进行数据同步，待充电与数据同步完成后，远程作业监控***400根据接收到的数据，对AUV100进行状态更新和数据收集。
远程作业监控***400具有高精度风场设施GIS地图；作业规划；状态监控；远程控制；告警管理；应急响应；传感器设置等功能；远程作业监控***100基于高精度风场设施GIS地图进行巡检任务规划，向岸基的 AUV自动收放站200下达AUV100自动布放命令。
巡检数据处理中心500具有原始数据存储，数据处理，多源数据融合处理、数据分析、基于AI自动分析，巡检报告，重点风险点跟踪，运维工单等功能；巡检数据处理中心500可对数据进行存档、分析和形成巡检报告。
本实施方式提供了一种作业自动化程度高、兼顾低成本和长时间作业以满足海上风电水下设施大规模巡检任务的一体化智能无人巡检***，以提升目前的巡检方法不能同时具备对海缆全面巡检和风机基桩详细检测的能力，解决无法兼顾低成本和长时间作业以满足大规模巡检任务以及作业过程需要母船或专业人力支持的问题。
根据本发明的第二个方面，图3-4示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的海上风电水下设施无人巡检方法。如图3-4所示，该海上风电水下设施无人巡检方法用于控制上述的海上风电水下设施无人巡检***，包括：
S100：进行巡检任务规划；
S200：AUV100接收巡检任务规划并执行对应的巡检任务，向海缆和基桩进行巡检，得到巡检数据；
S300：AUV中继坞300在AUV100到达时与AUV100进行对接，对 AUV100进行充电，同时进行数据同步，待充电与数据同步完成后，根据同步的数据对AUV100进行状态更新和数据收集，并判断巡检任务是否完成；当巡检任务尚未完成时，AUV100继续执行巡检任务；当巡检任务完成时，向AUV100下达返航指令。
该海上风电水下设施无人巡检方法还包括步骤S400：获取AUV100的剩余电量，判断AUV100的剩余电量是否充足；当剩余电量充足时，AUV100 继续执行巡检任务；当剩余电量不足时，AUV100上浮更新位置，记录工作断点，并重新规划最短路径，下潜航行到AUV中继坞300进行充电和数据同步，待充电与数据同步完成后，返回记录的工作断点继续进行所述巡检任务。其中，判断剩余电量是否充足有两种方式，第一种：剩余电量低于某个固定阈值时返回AUV中继坞300充电，这个固定阈值剩下的电量能让AUV100返回AUV中继坞300进行充电；第二种：AUV100利用惯性导航记录实际航程，并推算出距离AUV中继坞300的距离，推算出距离AUV 中继坞300的距离的原理为AUV中继坞300相当于起点，这个位置是已知的，AUV100从AUV中继坞300出发后，惯性导航能够实现推算出AUV100 位置，这样两个之间的直线距离就确定了；当AUV100最大航程减去实际航程就是剩余电量可航行的距离，当这个剩余电量可航行的距离等于推算出的AUV100距离AUV中继坞300的距离时，则表示AUV100可刚好顺利返回AUV中继坞300。
为了更好的说明，本实施方式以海上风电水下设施无人巡检***进行举例说明，具体包括以下步骤：
S1：巡检任务开始，远程作业监控***400基于高精度风场设施GIS 地图进行巡检任务规划，向岸基的AUV自动收放站200下达AUV100的自动布放命令；
S2：AUV100于岸基的AUV自动收放站200自动布放完成后，通过搭载的声光磁传感器完成送出海缆的路由检测到达海上升压站；
S3：远程作业监控***400下达指令使部署在海上升压站的AUV中继坞300通过其自动升降功能完成下潜与AUV100进行水下对接，AUV进行无线充电的同时通过光纤与远程作业监控***400进行数据同步，待充电与数据同步完成后，AUV100出坞进行工作；
S4：远程作业监控***400根据接收到的数据，进行AUV100的状态更新和数据收集，并判断巡检任务是否完成；
S5：当任务尚未完成时，AUV100继续进行阵列海缆巡检，到达基桩前AUV100上浮与远程作业监控***400进行通讯更新位置信息，围绕基桩进行巡检；
S6：AUV100的能源模块160内置电池管理模块162能够实时对蓄电池模块161的电量进行实时监控，并与AUV100的控制模块110通过通信缆保持通讯，控制模块110进行判断电量是否充足；
S7：AUV100的控制模块110判断电量充足时返回S5继续巡检任务；
S8：AUV100的控制模块110判断电量不足时，AUV100上浮更新位置，记录工作断点，并重新规划最短路径，按照规划的最短路径进行下潜航行到海上风电升压站，返回S3，充电与数据同步完成后，返回记录的工作断点进行巡检任务；
S9：远程作业监控***400判断巡检任务完成时，向AUV100下达返航指令；
S10：AUV100到达AUV自动收放站200后，AUV自动收放站200进行AUV100自动回收，收放完成后，远程作业监控***400结束巡检任务。
本实施方式提供一个适应于海上风电场景下大规模智能无人化巡检的技术方案；利用一个AUV和中继站兼顾了大范围海缆巡检和局部精细化的风机基桩水下部分检测两种场景；通过岸上释放AUV实现不依赖作业船完成风场水下设施巡检作业，降低巡检实施成本；利用海上风场升压站资源，通过AUV充电坞解决了长期作业的能源问题；通过周期性数据采集，将海上风电运维被动式运维抢修转化为主动养护模式。防范风险、降低成本。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种海上风电水下设施无人巡检***，其特征在于，包括：
远程作业监控***，所述远程作业监控***进行巡检任务规划；
AUV，所述AUV接收所述巡检任务规划并执行对应的巡检任务，向海缆和基桩进行巡检，得到巡检数据；
AUV中继坞，所述AUV中继坞在所述AUV到达时与所述AUV进行对接，对所述AUV进行充电，同时将所述AUV与所述远程作业监控***进行数据同步，待充电与数据同步完成后，所述远程作业监控***根据接收到的数据，对所述AUV进行状态更新和数据收集。
2.根据权利要求1所述的海上风电水下设施无人巡检***，其特征在于，所述AUV包括：
控制模块；
通信模块，所述通信模块与所述控制模块连接，所述通信模块用于与所述AUV中继坞进行通信；
导航模块，所述导航模块与所述控制模块连接，所述导航模块根据所述巡检任务进行导航；
探测模块，所述探测模块与所述控制模块连接，所述探测模块根据所述巡检任务向所述海缆和基桩进行检测，得到所述巡检数据；
动力模块，所述动力模块与所述控制模块连接，所述动力模块根据所述巡检任务进行移动；
能源模块，所述能源模块分别与所述控制模块、所述动力模块连接，所述能源模块给所述动力模块提供能量。
3.根据权利要求2所述的海上风电水下设施无人巡检***，其特征在于，所述能源模块包括：
蓄电池模块，所述蓄电池模块分别与所述控制模块、所述动力模块连接，所述蓄电池模块给所述动力模块提供电能；
电池管理模块，所述电池管理模块分别与所述控制模块、所述蓄电池模块连接，所述电池管理模块获取所述蓄电池模块的剩余电量。
4.根据权利要求2所述的海上风电水下设施无人巡检***，其特征在于，所述AUV还包括避障模块，所述避障模块与所述控制模块连接，所述避障模块用于水下避障处理。
5.根据权利要求1-4任一项所述的海上风电水下设施无人巡检***，其特征在于，还包括AUV自动收放站，所述AUV自动收放站与所述远程作业监控***连接，所述AUV自动收放站用于自动收放所述AUV。
6.根据权利要求1-4任一项所述的海上风电水下设施无人巡检***，其特征在于，还包括巡检数据处理中心，所述巡检数据处理中心与所述远程作业监控***连接，所述巡检数据处理中心用于对数据进行存档、分析和形成巡检报告。
7.一种海上风电水下设施无人巡检方法，其特征在于，包括：
进行巡检任务规划；
AUV接收所述巡检任务规划并执行对应的巡检任务，向海缆和基桩进行巡检，得到巡检数据；
AUV中继坞在所述AUV到达时与所述AUV进行对接，对所述AUV进行充电，同时进行数据同步，待充电与数据同步完成后，根据同步的数据对所述AUV进行状态更新和数据收集，并判断所述巡检任务是否完成。
8.根据权利要求7所述的海上风电水下设施无人巡检方法，其特征在于，当所述巡检任务尚未完成时，所述AUV继续执行所述巡检任务；
当所述巡检任务完成时，向所述AUV下达返航指令。
9.根据权利要求8所述的海上风电水下设施无人巡检方法，其特征在于，获取所述AUV的剩余电量，判断所述AUV的剩余电量是否充足。
10.根据权利要求7所述的海上风电水下设施无人巡检方法，其特征在于，当所述剩余电量充足时，所述AUV继续执行所述巡检任务；
当所述剩余电量不足时，所述AUV上浮更新位置，记录工作断点，并重新规划最短路径，按照规划的最短路径进行下潜航行到所述AUV中继坞进行充电和数据同步，待充电与数据同步完成后，返回记录的工作断点继续进行所述巡检任务。
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